第5章 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

智能機(jī)器人導(dǎo)論

05-機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)指承載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的底盤中內(nèi)置的減速器、驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作的電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是指各類采用車輪作為外在運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)，主要指固定輪的車軸、提升驅(qū)動(dòng)力的減速箱和輸出動(dòng)力的各類電機(jī)等。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

履帶式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

履帶式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相較于輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與地面接觸面積增大，故摩擦力增大，能夠提供更好的路面適應(yīng)性，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜度增加，因而對(duì)動(dòng)力的要求也有所增加。

5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

直流有刷電機(jī)-電機(jī)選型規(guī)則

(1)確認(rèn)電機(jī)規(guī)格。根據(jù)裝置的規(guī)格確認(rèn)電機(jī)的要求規(guī)格，其基本項(xiàng)目包括：運(yùn)行功能的確認(rèn)、驅(qū)動(dòng)時(shí)間(運(yùn)行模式)、分辨率、停止精度、保持位置、電源電壓及頻率、使用環(huán)境；

(2)確定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。代表性的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)體、滾珠螺桿、皮帶輪和齒條齒輪等。由此來(lái)確定負(fù)載計(jì)算必須的尺寸、質(zhì)量、系數(shù)等。其基本項(xiàng)目包括：搬運(yùn)物的尺寸與質(zhì)量(或密度)、各零件的尺寸與質(zhì)量(或密度)、可動(dòng)零件滑動(dòng)部的摩擦系數(shù)等；

(3)負(fù)載計(jì)算。計(jì)算電動(dòng)機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)刹糠?；滾珠螺桿、滑輪、皮帶和齒條等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法如下：5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

直流有刷電機(jī)-電機(jī)選型規(guī)則

(4)選擇電機(jī)類型。包括直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，或各類交流電機(jī)，電機(jī)類型主要由供電形式和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形式等因素決定；

(5)選用計(jì)算。從機(jī)械強(qiáng)度、加速時(shí)間、加速轉(zhuǎn)矩等各方面，確認(rèn)電機(jī)和減速箱的規(guī)格是否符合所有要求規(guī)格，然后再確定方案。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

直流無(wú)刷電機(jī)

傳統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部一般會(huì)內(nèi)置用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的光電或磁電檢測(cè)元件，如霍爾傳感器等，以實(shí)現(xiàn)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信號(hào)的功能。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩??①Tr1ON

ONON

ONONTr2

ONON

ONON

Tr3

ONON

ONON

Tr4

ONON

ONON

Tr5

ONON

ONON

Tr6ONON

ONON

ONU相N-SS-NN-SS-NNV相-NN-SS-NN-SS-W相SS-NN-SS-NN-S

直流無(wú)刷電機(jī)電機(jī)線圈與開關(guān)管相連接，由6個(gè)MOSFET組成變頻器，按照一定順序交互重復(fù)開關(guān)，轉(zhuǎn)換線圈中電流方向5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的特殊電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)的控制精度遠(yuǎn)高于無(wú)刷電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)速度低于無(wú)刷電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)器一般按照每次旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度的方式驅(qū)動(dòng)，該角度稱為步進(jìn)角。步進(jìn)角是步進(jìn)電機(jī)在設(shè)計(jì)上的最小旋轉(zhuǎn)角度，體現(xiàn)為電機(jī)以步進(jìn)的形式旋轉(zhuǎn)。

控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

-主要特性

(1)高精度。相比于無(wú)刷電機(jī)或有刷電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)最大的特征是能夠簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制。普通的永磁式步進(jìn)電機(jī)即可以實(shí)現(xiàn)7.5?步進(jìn)角，而五相步進(jìn)電機(jī)的分辨率則可以達(dá)到0.72?（全步進(jìn)）和0.36?（半步級(jí)），且無(wú)累積誤差，可以實(shí)現(xiàn)很高精度的定位；

(2)定位保持。步進(jìn)電機(jī)在停止的狀態(tài)下，仍具有勵(lì)磁保持力，即使不依靠機(jī)械剎車，依然可以保持停止的狀態(tài)；

(3)動(dòng)作靈敏。步進(jìn)電機(jī)加速性能優(yōu)越，可以做到瞬時(shí)啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換等動(dòng)作；

(4)不依賴傳感器定位。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，不需要碼盤和位置傳感器，僅依靠輸入的控制信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)速度和位置的精準(zhǔn)控制，適合在短距離、高精度、高頻度的控制場(chǎng)合中使用；5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

-主要特性

(5)低速高轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)在低速和中速工作時(shí)，能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩，高于同級(jí)別的其他類型電機(jī)；

(6)高可靠。步進(jìn)電機(jī)故障率低、誤動(dòng)作少，使用步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)的可靠性要高于其他電機(jī)+減速器+檢測(cè)裝置的系統(tǒng)；

(7)高輸出功率。步進(jìn)電機(jī)可以在較小的體積下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩輸出，優(yōu)于同等體積的其他類型電機(jī)；

(8)無(wú)累積誤差。步進(jìn)電機(jī)的精度一般是步距角的3%～5%，且由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，每一步所產(chǎn)生的誤差不會(huì)累積到下一步中，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差；5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

-主要特性(9)較耐高溫。步進(jìn)電機(jī)的溫度過高會(huì)使電機(jī)內(nèi)部的磁性材料發(fā)生退磁問題，導(dǎo)致力矩下降甚至無(wú)法工作，因此不同類型的步進(jìn)電機(jī)的最高工作溫度取決于其內(nèi)部的磁性材料，一般磁性材料的退磁溫度都高于130℃，部分甚至高于200℃。因此，步進(jìn)電機(jī)的工作溫度普遍可以達(dá)到80℃甚至更高；(10)高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低，電機(jī)各相繞組會(huì)形成反向電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快、頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大，使相電流減小，導(dǎo)致力矩下降；(11)低轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)只能工作在較低的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法起動(dòng)的問題。當(dāng)電機(jī)空載時(shí)，輸入信號(hào)頻率低于空載起動(dòng)頻率即可起動(dòng)，但隨著負(fù)載的增加，信號(hào)頻率應(yīng)降低方能使電機(jī)起動(dòng)。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

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永磁式步進(jìn)電機(jī)（PermanentMagnetStepperMotor）

一般為兩相或者四相，轉(zhuǎn)子慣性小、動(dòng)態(tài)性好、響應(yīng)快，且輸出力矩大，步進(jìn)角一般為7.5?或15?，其具有成本低廉的特點(diǎn)。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

-反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ReactiveStepperMotor）

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在步進(jìn)電機(jī)里屬于比較傳統(tǒng)的一類，步進(jìn)角一般為1.5?。在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上均勻分布著許多的小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線分別是與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開的。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而方向則是由導(dǎo)電順序決定的。在市場(chǎng)上，一般以二、三、四、五相的反應(yīng)式步進(jìn)機(jī)比較多。步進(jìn)電機(jī)

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混合式步進(jìn)電機(jī)（HybridStepperMotor）

混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)相數(shù)可以分為兩相、三相和五相。其中，兩相的步進(jìn)角一般為1.8?，三相的步進(jìn)角一般為1.2?，而五相的步進(jìn)角一般為0.72?。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

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混合式步進(jìn)電機(jī)（HybridStepperMotor）

轉(zhuǎn)子本身具有磁性，在同樣的定子電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，且其步進(jìn)角通常也較小。因此，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床等設(shè)備上大都是用混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但混合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、轉(zhuǎn)子慣量大，其快速性要低于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

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混合式步進(jìn)電機(jī)（HybridStepperMotor）

其轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2和永磁體構(gòu)成。轉(zhuǎn)子被軸向磁化，如轉(zhuǎn)子1為N極時(shí)，轉(zhuǎn)子2則為S極，轉(zhuǎn)子的外圈一般由50個(gè)小齒構(gòu)成,轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒于構(gòu)造上互相錯(cuò)開了1/2螺距。定子上擁有小齒狀的磁極，磁極繞有線圈，線圈與對(duì)角位置磁極連通。通電后，磁極與對(duì)角線位置的磁極向轉(zhuǎn)子方向產(chǎn)生相同的極性，稱為一個(gè)相。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

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混合式步進(jìn)電機(jī)（HybridStepperMotor）

(1)將A相勵(lì)磁。若磁極磁化成S極，則將與帶有N極極性的轉(zhuǎn)子1的小齒互相吸引，并與帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒相斥，平衡后停止。此時(shí)，沒有勵(lì)磁的B相磁極的小齒和帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒偏離0.72?。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

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混合式步進(jìn)電機(jī)（HybridStepperMotor）

(2)將B相勵(lì)磁。由A相勵(lì)磁轉(zhuǎn)為B相勵(lì)磁時(shí)，B相磁極磁化成N極，與擁有S極極性的轉(zhuǎn)子2互相吸引，而與擁有N極極性的轉(zhuǎn)子1相斥。

隨著勵(lì)磁相位按照A相→B相→C相→D相→E相→A相依次轉(zhuǎn)換時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)以每次0.72?的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需將勵(lì)磁順序倒轉(zhuǎn)，依照A相→E相→D相→C相→B相→A相勵(lì)磁即可。

0.72?的分辨率取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的機(jī)械偏移量，不需要編碼器等傳感器。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

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多相勵(lì)磁

上述是單相勵(lì)磁的整步驅(qū)動(dòng)方式，為了有效利用線圈通常采用多相勵(lì)磁的工作方式，如四相或五相同時(shí)勵(lì)磁。以五角形接線的四相勵(lì)磁的整步工作方式。上圖：五角形接線4相勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序下圖：四-五相勵(lì)磁可以實(shí)現(xiàn)半步工作多相勵(lì)磁較單相勵(lì)磁可以有效降低振動(dòng)，提升電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩、不易產(chǎn)生失步，但多相勵(lì)磁也會(huì)提升電機(jī)的輸入功率、且提升了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜度。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

-細(xì)分

細(xì)分技術(shù)一定程度上實(shí)現(xiàn)了與多相勵(lì)磁類似的功能：提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨率、減小了步進(jìn)電機(jī)的振蕩且提高了輸出轉(zhuǎn)矩，但細(xì)分技術(shù)也有明顯的缺點(diǎn)，細(xì)分越多、所要計(jì)算的細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)量就越大、占用處理器資源越多。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)

-主要參數(shù)

(2)相數(shù)。指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)。目前常用的有兩相、三相、四相和五相，電機(jī)的相數(shù)不同，步進(jìn)角也不同。通常相數(shù)越高、步進(jìn)角越小，例如兩相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為0.9?/1.8?、三相的步進(jìn)角為0.75?/1.5?，而五相的步進(jìn)角則可以達(dá)到0.36?/0.72?。

通過步進(jìn)電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)很高的控制精度，而當(dāng)使用了具有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)控制器之后，可以突破固有線圈對(duì)于步進(jìn)角的限制。

(3)保持轉(zhuǎn)矩。指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩，是步進(jìn)電機(jī)的重要參數(shù)之一，而且步進(jìn)電機(jī)在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩也接近保持轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的下降，功率也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩難以衡量。因此廠商一般將步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩作為一項(xiàng)基本參數(shù)，人們提及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩時(shí)一般也指保持轉(zhuǎn)矩。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)舵機(jī)

一種以輸出特定角度為主的電機(jī)，可以通過程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角。因此目前廣泛地使用在航模、智能小車、機(jī)器人關(guān)節(jié)等需要精確控制角度且角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有一定限定的場(chǎng)合，比如控制航模飛機(jī)的各個(gè)舵面的角度等，這也是舵機(jī)一詞的由來(lái)。舵機(jī)一般具有以下特點(diǎn)：

(1)集成度高、體積緊湊。舵機(jī)將相關(guān)部件進(jìn)行了高度集成和定制開發(fā)，其內(nèi)部的減速器和控制、檢測(cè)電路都經(jīng)過了特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，相比于分立機(jī)構(gòu)，大大減小了整體體積和重量；

(2)外形標(biāo)準(zhǔn)、便于安裝。常見的舵機(jī)外形比較標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)格相同或規(guī)格相近的舵機(jī)在外觀尺寸上往往相同，很容易進(jìn)行互換；5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)舵機(jī)

(3)輸出力矩大、穩(wěn)定性好。舵機(jī)內(nèi)部將直流電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過減速箱后，可以有效提升輸出力矩，實(shí)現(xiàn)數(shù)十Kg·cm的扭力，舵機(jī)型號(hào)和參數(shù)中所標(biāo)識(shí)的扭矩或扭力即為舵機(jī)在堵轉(zhuǎn)時(shí)的輸出力矩；

(4)控制簡(jiǎn)單、便于和微處理器連接。舵機(jī)一般使用PWM/PPM信號(hào)進(jìn)行控制，NE555等常規(guī)電路和微處理器都可以簡(jiǎn)單的輸出滿足舵機(jī)控制要求的信號(hào)。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)舵機(jī)-控制方式

舵機(jī)一般具有三根連線，分別是VCC和GND，一根控制信號(hào)線。舵機(jī)的控制器根據(jù)控制信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)電位器輸出，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和穩(wěn)定輸出功能。

傳統(tǒng)舵機(jī)一般使用PWM作為的控制信號(hào)，信號(hào)周期為20ms，正脈寬為0.5ms～2.5ms，線性對(duì)應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的0?至最大角度。如使用0～180°舵機(jī)時(shí)，0.5ms正脈寬控制信號(hào)對(duì)應(yīng)舵機(jī)輸出角度0?、1.0ms對(duì)應(yīng)45?、1.5ms對(duì)應(yīng)90?、2.0ms對(duì)應(yīng)135?、2.5ms對(duì)應(yīng)180?。

但20ms的更新速率過低，難以適應(yīng)高性能的高速舵機(jī)。目前部分高速舵機(jī)已經(jīng)可以支持更高頻率的PWM信號(hào)，如可以支持到400HzPWM信號(hào)，其控制脈寬為500μs～2500μs，具體使用時(shí)應(yīng)遵循舵機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。5.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)舵機(jī)

-主要參數(shù)

(1)工作電壓。舵機(jī)廠商提供的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)均與工作電壓有關(guān)，如FutabaS-9001在4.8V時(shí)扭力為3.9Kg·cm、速度為0.22s/60?，在6.0V時(shí)扭力5.2Kg·cm、速度為0.18s/60?。

(2)轉(zhuǎn)矩。部分舵機(jī)也標(biāo)稱為扭矩、扭力，其單位是Kg·cm，測(cè)量方法為在舵盤上距舵機(jī)軸中心水平距離1cm處，舵機(jī)能夠帶動(dòng)的物體重量；

(3)轉(zhuǎn)速。舵機(jī)內(nèi)部的電機(jī)在額定電壓下轉(zhuǎn)速固定，經(jīng)過減速箱后的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速也固定。舵機(jī)所標(biāo)注的轉(zhuǎn)速通常指舵機(jī)在無(wú)負(fù)載情況下轉(zhuǎn)過60?所需要的時(shí)間，一般舵機(jī)轉(zhuǎn)速為0.11s/60?～0.21s/60?；

(4)尺寸、重量和材質(zhì)。舵機(jī)的功率（速度×轉(zhuǎn)矩）與舵機(jī)的尺寸比值可以理解為該舵機(jī)的功率密度，一般舵機(jī)的功率密度越大價(jià)格越高。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制

PWM驅(qū)動(dòng)原理

PWM信號(hào)控制的電壓或電流是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上，接通時(shí)直流供電被加到負(fù)載上，斷開時(shí)直流供電被斷開?？梢詫WM看作是一種控制能量輸運(yùn)的開關(guān)控制信號(hào)。

PWM信號(hào)頻率足夠高時(shí)，受控設(shè)備則可以實(shí)現(xiàn)降低功率的工作模式，工作功率則取決于PWM信號(hào)的接通時(shí)間。

控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩亦可以使用PWM，改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的特性,按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間,即可使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用PWM進(jìn)行調(diào)速是非常方便的。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制

PWM驅(qū)動(dòng)原理

最簡(jiǎn)單的PWM驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源,按一個(gè)固定的頻率來(lái)控制大功率晶體管的接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，即通過改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制

5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制

5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制

H橋驅(qū)動(dòng)電路（1）電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，單獨(dú)開啟任何一個(gè)三極管都不產(chǎn)生任何效果；

（2）當(dāng)Q1和Q3同時(shí)導(dǎo)通、Q2和Q4同時(shí)關(guān)斷時(shí)，電機(jī)M兩端供電電壓相同、不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)；

（3）Q1和Q3同時(shí)關(guān)斷、Q2和Q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)M也不會(huì)旋轉(zhuǎn)；

（4）Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通會(huì)導(dǎo)致電源短路、Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通也會(huì)導(dǎo)致電源短路，是禁止發(fā)生的異常狀態(tài)。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制

H橋驅(qū)動(dòng)電路若要求電機(jī)電流由左流向右，則需要在Q2和Q3關(guān)斷的同時(shí)，在Q1和Q4同時(shí)施加相位相反的PWM信號(hào)但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過達(dá)林頓管（如TIP122/127）或MOSFET等分立元件構(gòu)建H橋電路，還應(yīng)該增加邏輯控制、保護(hù)電路和功率器件驅(qū)動(dòng)電路，以防止短路問題的發(fā)生。

使用L298、DRV8838等H橋集成芯片則可以解決邏輯控制和保護(hù)問題，右圖為DRV8838內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制電調(diào)電路

直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程較為復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置并快速切換MOSFET的開關(guān)狀態(tài)。如果由機(jī)器人系統(tǒng)中的微處理器執(zhí)行該工作，會(huì)產(chǎn)生非常頻繁的中斷事件，影響機(jī)器人系統(tǒng)其他任務(wù)的實(shí)時(shí)性，也會(huì)增大系統(tǒng)的程序的復(fù)雜度。

增加一個(gè)新的微處理器，與用于直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MOSFET功率器件、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源處理電路和其他電路封裝在同一個(gè)小模塊內(nèi)，對(duì)外只保留電源和控制信號(hào)的輸入端和與電機(jī)連接的輸出端，這一類模塊被稱之為電調(diào)（ESC，ElectronicSpeedControl）5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制電調(diào)電路

電調(diào)僅連接了電源（電池）、電機(jī)、編程卡（調(diào)整電調(diào)參數(shù)，非必須使用）和接收機(jī)（接收遙控器信號(hào)，輸出PWM信號(hào)）。

電調(diào)所實(shí)現(xiàn)的模塊化集成設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)流程，也提升了系統(tǒng)性能。

5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制電調(diào)電路

經(jīng)典航模領(lǐng)域的PWM信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)電平為5V，周期時(shí)間是20ms，即信號(hào)的頻率是50Hz。電調(diào)可以分為單向電調(diào)和雙向電調(diào)兩種。

(1)單向電調(diào)。一般應(yīng)用在無(wú)人機(jī)等電機(jī)只向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的領(lǐng)域，在傳輸給電調(diào)的PWM信號(hào)中，1ms正脈寬表示0%油門（指?jìng)鬏斀o電機(jī)的功率），2ms正脈寬表示100%油門。

(2)雙向電調(diào)。包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和剎車功能，應(yīng)用在船模和車模等領(lǐng)域。在傳輸給電調(diào)的PWM信號(hào)中，1ms正脈寬表示100%反轉(zhuǎn)油門，2ms正脈寬表示100%正轉(zhuǎn)油門，1.5ms正脈寬表示0%油門。

PWM信號(hào)很容易產(chǎn)生因?yàn)閭鬏敾驒z測(cè)精度不足所導(dǎo)致的誤差，因而部分領(lǐng)域已經(jīng)開始采用數(shù)字電調(diào)解決這種誤差問題。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制數(shù)字電調(diào)

數(shù)字電調(diào)協(xié)議以Dshot為主，包括DShot150、Dshot300、Dshot600和Dshot1200等。Dshot協(xié)議的數(shù)據(jù)幀由三部分組成：

①油門值（Throttle），11位長(zhǎng)度，可以表示的數(shù)字范圍為0～2047；

②請(qǐng)求數(shù)據(jù)回傳標(biāo)識(shí)位（TelemetryRequest），1位長(zhǎng)度，0表示不向電調(diào)請(qǐng)求數(shù)據(jù)回傳、1為向數(shù)字電調(diào)請(qǐng)求數(shù)據(jù)回傳，具有數(shù)據(jù)回傳功能的電調(diào)則會(huì)回傳電調(diào)的狀態(tài)信息；

③校驗(yàn)（CRC），4位長(zhǎng)度，用于驗(yàn)證該幀數(shù)據(jù)是否有效合法，是對(duì)前面11個(gè)油門值+1個(gè)回傳標(biāo)志共12個(gè)位進(jìn)行分組，每組4位、分3組，即對(duì)3組4位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果的低4位作為校驗(yàn)碼插入。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制數(shù)字電調(diào)

Dshot協(xié)議名字中所標(biāo)注的數(shù)字代表通信速率，例如Dshot600表示每秒傳輸600Kbit，每個(gè)bit時(shí)間為1667ns，正脈寬625ns表示數(shù)據(jù)位0、正脈寬1250ns表示數(shù)據(jù)位1。

可見Dshot600每26.7μs即可更新一次電調(diào)狀態(tài)，其速率遠(yuǎn)快于PWM控制的20ms。此外，Dshot還具有以下的明顯優(yōu)點(diǎn)：

①無(wú)需校準(zhǔn)電調(diào)油門行程；

②電調(diào)信號(hào)精準(zhǔn)，無(wú)需考慮信號(hào)干擾造成的脈寬誤差影響；

③油門分辨率高；

④更新速度快于傳統(tǒng)的PWM/PPM。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路與H橋驅(qū)動(dòng)電路原理相似，只是每相都需要一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重復(fù)度較高、控制時(shí)序復(fù)雜度高，但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

L297+L298的控制方式只能滿足步進(jìn)電機(jī)的基本控制要求，包括整步半步控制等非細(xì)分驅(qū)動(dòng)功能。而更高的控制精度、更小的步進(jìn)抖動(dòng)等功能則需要精細(xì)的PWM控制信號(hào)才能夠完成，L297中的邏輯電路顯然無(wú)法勝任。若要實(shí)現(xiàn)正弦波電流，則需要在驅(qū)動(dòng)端加載滿足產(chǎn)生正弦波電流需求的SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）信號(hào)。

SPWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法主要有：(1)等面積法(2)硬件調(diào)制法(3)軟件生成法5.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

采用細(xì)分功能控制步進(jìn)電機(jī)除了使用上述方法之外，還可以使用集成芯片完成，如TMC22xx系列細(xì)分步進(jìn)電機(jī)控制芯片。

該系列中的TMC2208工作電壓4.75V～36V、峰值輸出電流2A、通過Microplay技術(shù)可補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)256級(jí)細(xì)分效果、低速靜音模式和高速防抖模式切換，以及較為全面的保護(hù)等功能等。還可以通過上位機(jī)軟件與TMC2208的UART接口通信，配置芯片的工作參數(shù)。

國(guó)產(chǎn)芯片方面，也可以選擇微芯的TC1005系列步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片。TC1005能夠?yàn)橥饨覯OSFET提供高達(dá)8A的驅(qū)動(dòng)電流，此外還支持最高40V工作電壓、256細(xì)分，并帶有過流、短路和過溫保護(hù)等功能，且支持SPI通信接口。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)功率開關(guān)電源系統(tǒng)

外部供電系統(tǒng)是機(jī)器人運(yùn)行的必要條件，是非內(nèi)置電池型機(jī)器人，尤其是水下機(jī)器人、管道機(jī)器人等有纜遠(yuǎn)程作業(yè)機(jī)器人的重要?jiǎng)恿?lái)源。

外部供電系統(tǒng)的類型不同，機(jī)器人本體的電源設(shè)計(jì)方法也不同。使用簡(jiǎn)單傳輸型外部供電的機(jī)器人電源可以直接使用各類滿足電壓、功率、體積和安全需求的開關(guān)電源系統(tǒng)。

類型變換型外部供電則應(yīng)使用廠商所推薦的變換模塊，以便在更小體積的基礎(chǔ)上獲得更高的變換效率。如下頁(yè)VICOR公司的VI-HAM使用示意圖，VI-HAM通過+OUT和-OUT輸出整流后直流供電，E/O為控制輸出端，用以控制DC-DC模塊工作，A/S端為特定的電壓輸出，使用時(shí)按照推薦方法連接即可。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)功率開關(guān)電源系統(tǒng)

電壓變換型外部供電的特點(diǎn)是在線纜中傳輸?shù)碾妷哼h(yuǎn)高于直接整流濾波后的電壓，一般在600V以上，在設(shè)備端使用高壓DCDC降壓后使用。

以金升陽(yáng)公司的PV200-29Bxx系列開關(guān)電源模塊為例，該系列模塊具有300V～1500VDC的超寬輸入電壓范圍、最大200W輸出功率、4000VDC隔離、-40℃～70℃工作溫度，并具有欠壓保護(hù)、輸出短路保護(hù)、過流保護(hù)等功能，PV200-29Bxx有24V、36V和48V三種輸出電壓型號(hào)，在850VDC輸入時(shí)可達(dá)87%的轉(zhuǎn)換效率，體積為215mm×125mm×50mm，重量為1.55Kg。

模塊價(jià)格，導(dǎo)致系統(tǒng)成本升高，但高壓傳輸可以有效減小傳輸電流、減少線纜損耗，機(jī)器人則可以使用更輕便、更纖細(xì)、更柔軟的線纜5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)

根據(jù)電池的儲(chǔ)能-恢復(fù)特性，可以將電池分為一次性電池和多次電池（可充電）。電池是自主無(wú)纜機(jī)器人的唯一動(dòng)力來(lái)源形式。

在電池能量密度條件限制下，需要計(jì)算電池的各項(xiàng)限制條件：

①機(jī)器人負(fù)荷限制。機(jī)器人在移動(dòng)和作業(yè)時(shí)，能夠預(yù)留給電池系統(tǒng)的空間大小和重量限制，電池系統(tǒng)必須滿足該要求；

②機(jī)器人的作業(yè)功率與電量需求。統(tǒng)計(jì)機(jī)器人在攜帶了電池和載荷的情況下，完成作業(yè)時(shí)的最大功率以及總電量，所使用電池系統(tǒng)必須滿足輸出電壓、最大輸出電流和容量要求。

還應(yīng)根據(jù)機(jī)器人工作場(chǎng)合的溫度、濕度、氣壓等環(huán)境信息設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)電芯和電路，設(shè)計(jì)充換電系統(tǒng)，計(jì)算充電和保障系統(tǒng)數(shù)量。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-干電池和堿性電池

廣泛應(yīng)用于耗電量極低、待機(jī)周期較長(zhǎng)的小型設(shè)備，干電池屬于原電池類型，放電電流不大、內(nèi)阻較大、不能充電，且長(zhǎng)期使用易漏液。

單節(jié)普通鋅-錳干電池和堿性電池的電動(dòng)勢(shì)為1.5V，但干電池由于產(chǎn)生的氨氣會(huì)被石墨所吸附，引起電動(dòng)勢(shì)快速下降，電池放電能力變差。堿性電池的化學(xué)反應(yīng)過程中不會(huì)氣體產(chǎn)生，其內(nèi)阻也相對(duì)較低，堿性電池的最大放電電流一般只有1C（C為電池容量），依然難以作為動(dòng)力電池為機(jī)器人提供長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的電流輸出。

自2001年1月1日起，我國(guó)規(guī)定進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售電池均需標(biāo)注汞含量。自2002年起，禁止在經(jīng)銷汞含量大于電池重量0.025%的電池。目前干電池和堿性電池絕大部分是無(wú)汞的，廢舊電池是不會(huì)造成汞污染的。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-

鎳鎘電池和鎳氫電池

鎳鎘電池和鎳氫電池屬于可充電的多次電池，早期的各類充電設(shè)備使用的都是鎳鎘電池，其單體電壓1.2V，具有大電流放電、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能量密度在40Wh/Kg～60Wh/Kg之間，高于堿性電池。

鎳鎘電池可實(shí)現(xiàn)500次以上充放電循環(huán)，經(jīng)濟(jì)耐用。但鎳鎘電池的缺點(diǎn)也很明顯，若充放電過程對(duì)電量的使用掌控不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的記憶效應(yīng)，導(dǎo)致電池容量和壽命大打折扣。

鎳氫電池中不使用有毒的重金屬元素鎘，既可以避免環(huán)保問題，又可以提升能量密度。其輸出電壓等多方面特性與鎳鎘電池相似，因此可以直接替代鎳鎘電池使用。鎳氫電池的記憶效應(yīng)遠(yuǎn)小于鎳鎘電池，還具有一定的耐過充過放能力，這是鎳鎘電池甚至鋰電池所不具有的。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-

鎳鎘電池和鎳氫電池

鎳氫電池?zé)o毒、安全、耐過充過放的能力，以及良好的高溫和低溫工作特性，使鎳氫電池在有較高安全需求的領(lǐng)域依然難以被替代。

除了能量密度仍然較低外，鎳氫電池的充電效率也僅為66%左右，即只有66%的電量被電池吸收，遠(yuǎn)低于鋰電池；

鎳氫電池的自放電率較高，長(zhǎng)期不使用時(shí)，鎳氫電池的電量也會(huì)出現(xiàn)明顯消耗；鎳氫電池的最大放電電流較小，目前鎳氫動(dòng)力電池只能達(dá)到15C左右，也遠(yuǎn)低于鋰電池；

鎳氫電池的快速充電能力極低，一般只能達(dá)到1C左右；

鎳氫電池引以為自豪的安全性也正在逐漸被新型電池所替代，如刀片電池，其內(nèi)部使用的磷酸鐵鋰電池組；5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

鋰電池是鋰離子電池、鋰聚合物電池這兩類多次電池在通俗意義上的總稱（以金屬鋰直接作為負(fù)極的鋰電池是原電池的一種，屬于一次電池）。鋰電池徹底解決了前述各類電池能量密度低、放電電流小的問題，而且既具有快速充電能力、又具有極低的自放電率。

(1)鈷酸鋰電池。鈷酸鋰是第一代商業(yè)化的正極材料。鈷酸鋰電池具有能量密度高、循環(huán)性好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是其材料中的鈷的毒性較大、且價(jià)格昂貴。因此，鈷酸鋰一般用于對(duì)重量和體積較為敏感的小型設(shè)備中，如手機(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備中。鈷酸鋰電池的能量密度可達(dá)200Wh/Kg。鈷酸鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.7V，過充保護(hù)電壓為4.28±0.025V，過放保護(hù)電壓為2.4±0.1V，持續(xù)放電電流為0.2C，最大放電電流0.5C，最大充電電流1C。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

(2)三元鋰電池和多元鋰電池。三元鋰電池是指正極采用了鎳、鈷、錳（稱為NCM電池）或鎳、鈷、鋁（稱為NCA電池）三種金屬元素，電解液主要為六氟磷酸鋰的一種電池。正極材料中的鎳是一種活性金屬，用來(lái)提升電池能量密度，帶來(lái)更高的設(shè)備續(xù)航能力。鈷也是一種活性金屬，可以抑制陽(yáng)離子的混排，從而提高電池的穩(wěn)定性和使用壽命，也決定了電池的充放電速度和效率；錳或鋁的主要作用就是提高電池的安全性和穩(wěn)定性。

根據(jù)三元鋰電池中三種材料的比例，NCM電池可以分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811，NCA電池中三種材料的比例一般為8:1.5:0.5。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

標(biāo)稱電壓達(dá)3.7V，循環(huán)次數(shù)達(dá)1000次。18650型（直徑18mm、高度65mm，圓柱形）三元鋰電池的能量密度達(dá)到250Wh/Kg、21700型（直徑21mm、高度70mm，圓柱形）的能量密度則接近300Wh/Kg，循環(huán)次數(shù)達(dá)1500次，充電電流可達(dá)1C、放電電流可達(dá)1～2C。

NCM811等高鎳電池中鎳的活性大，在提升了能量密度的同時(shí)，也帶來(lái)了一定的安全隱患、導(dǎo)致了一些安全事故。高鎳電池在高溫下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、300℃左右開始分解，并釋放氧氣，使電解液迅速燃燒，發(fā)生熱失控問題。一般而言，鎳含量越高、穩(wěn)定性越差。

三元鋰電池主要用在各類續(xù)航敏感型設(shè)備上，如無(wú)人機(jī)、物流機(jī)器人和電動(dòng)汽車等超大容量移動(dòng)電源中使用的都是三元鋰電池。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

磷酸鐵鋰電池則在市場(chǎng)上主打安全性：在高溫鋼針穿刺實(shí)驗(yàn)中，電池不起火、未冒煙，電池的自燃溫度可達(dá)800℃。磷酸鐵鋰電池除圓柱形外，還可以制成更容易匹配機(jī)器人空間的方形。

磷酸鐵鋰缺點(diǎn)明顯：①低溫特性不佳，在-20℃時(shí)，電池容量只能達(dá)到常溫的1/3，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)較常溫情況下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)溫度下降到-40℃時(shí)，磷酸鐵鋰只能保持常溫容量的20%；②標(biāo)稱電壓僅為3.2V，若要實(shí)現(xiàn)高壓電池包則需要更多單體電池串聯(lián)；③能量密度低，目前磷酸鐵鋰電池能量密度最大只有160Wh/Kg。

磷和鐵均儲(chǔ)量豐富，原材料成本低。磷酸鐵鋰電池還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，一般循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到2000次。

5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

對(duì)比特性三元鋰電池磷酸鐵鋰電池成本高低低溫性能強(qiáng)差外觀形狀圓柱圓柱、方形高溫安全性差（300℃）好（800℃）循環(huán)壽命短（～1000次）2000次能量密度高（300Wh/Kg）低（160Wh/Kg）快充性能好（>1C）差（>0.5C）5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

(4)鈦酸鋰電池：鈦酸鋰既可以作為電池的負(fù)極，與三元鋰或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池，又可以作為電池的正極構(gòu)成1.5V的鋰離子電池。動(dòng)力電池領(lǐng)域的鈦酸鋰電池屬于前者。

鈦酸鋰再鋰離子在充電和放電期間的嵌入和脫嵌對(duì)鈦酸鋰材料的結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響、晶體結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化、容量幾乎沒有衰減、具有更高的鋰嵌入潛能，可以有效防止金屬鋰的析出和鋰枝晶的形成。其理論充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)3萬(wàn)次以上。

鈦酸鋰還具有比石墨高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，不容易引起電池的熱失控，具有較高的安全性。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

鈦酸鋰電池負(fù)極材料具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無(wú)泄漏，無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低、充放電快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作環(huán)境溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。鈦酸鋰電池還可以在高溫和低溫環(huán)境中安全使用，在-50℃～+60℃均可正常充放電。

但是鈦酸鋰電池在制造和使用中，也有著不可忽視的缺點(diǎn)：①鈦的價(jià)格極高，導(dǎo)致電池成本是磷酸鐵鋰電池的3倍以上；②鈦酸鋰電池能量密度低，目前只有100Wh/Kg左右；③電解液會(huì)與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，持續(xù)產(chǎn)生氣態(tài)，使電池內(nèi)部壓力增大，發(fā)生鼓包問題，限制了電池的使用場(chǎng)合、循環(huán)次數(shù)和快充性能。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

(5)鋰聚合物電池：鋰聚合物電池的正極、負(fù)極材料與鋰離子電池?zé)o異，區(qū)別主要在于電解質(zhì)的不同。鋰離子電池為電解液，而鋰聚合物電池多使用膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)。由此，鋰聚合物電池具有不易漏液、形狀定制靈活、可彎曲、可制成單塊高壓電池等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其能量密度，甚至可達(dá)鋰離子電池的一倍。

在安全性方面，鋰聚合物電池所使用的鋁塑外包裝可以直接反映出電池內(nèi)部的狀態(tài)，一旦發(fā)生安全隱患，電池一般只會(huì)鼓包、不易爆炸。使用便利性方面，鋰聚合物電池可以制作成比較節(jié)約空間的方形，可以方便地與機(jī)器人本體結(jié)合。

鋰聚合物航模電池具有極好的放電性能，放電電流普遍10C以上。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鋰電池

(5)鋰聚合物電池：鋰聚合物電池的正極、負(fù)極材料與鋰離子電池?zé)o異，區(qū)別主要在于電解質(zhì)的不同。鋰離子電池為電解液，而鋰聚合物電池多使用膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)。由此，鋰聚合物電池具有不易漏液、形狀定制靈活、可彎曲、可制成單塊高壓電池等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其能量密度，甚至可達(dá)鋰離子電池的一倍。

在安全性方面，鋰聚合物電池所使用的鋁塑外包裝可以直接反映出電池內(nèi)部的狀態(tài)，一旦發(fā)生安全隱患，電池一般只會(huì)鼓包、不易爆炸。使用便利性方面，鋰聚合物電池可以制作成比較節(jié)約空間的方形，可以方便地與機(jī)器人本體結(jié)合。

鋰聚合物航模電池具有極好的放電性能，放電電流普遍10C以上。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-電池的并聯(lián)串聯(lián)

組成電池組時(shí)采用“串(S)并(P)+容量+最大放電電流”的命名。

串并連接對(duì)電池組的特性影響不同：串聯(lián)只能提升電池組電壓，并聯(lián)只能提升電池組的容量，串聯(lián)并聯(lián)共同作用才能提升電池組的儲(chǔ)能能力。

如某鋰聚合物電池組標(biāo)稱為6S1P-12000mAh-15C則表示該電池組由6組單體構(gòu)成，每組單體的容量為12000mAh，最大放電電流15C，可推算電池組額定電壓為6×3.7V=22.2V，滿電25.2V、放電極限16.8V，最大放電電流180A。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池歷史悠久、技術(shù)成熟。目前廣泛使用的免維護(hù)型鉛酸蓄電池具有20C以上的大放電電流、對(duì)過充電耐受強(qiáng)、可靠性高、沒有記憶效應(yīng)、充放電控制簡(jiǎn)單、生命周期內(nèi)維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但鉛酸蓄電池重量大、充放電次數(shù)少相對(duì)較少。

每個(gè)電池組通常只有一組輸出電壓，且該電壓會(huì)隨電池放電過程逐漸降低、隨著電池充電過程逐漸升高，還會(huì)隨著放電電流的變化而波動(dòng)，這就對(duì)機(jī)器人的各部分系統(tǒng)提出了一定的適應(yīng)性需求：適應(yīng)電池輸出電壓的變化、適應(yīng)電池電壓的不規(guī)則波動(dòng)。5.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)-電池組的構(gòu)建（集中式之外）

(1)單體分布式。指電池的單體在機(jī)器人內(nèi)部不封裝成統(tǒng)一的電池包，以獨(dú)立的單體或小電池包的形式分布在機(jī)器人的各結(jié)構(gòu)中，再以導(dǎo)線連接成為電氣上統(tǒng)一的電池組來(lái)工作；

(2)電池組分散式供電。針對(duì)機(jī)器人本體的各個(gè)電力驅(qū)動(dòng)模塊，包括各類電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、處理器和傳感器等，采用獨(dú)立的電池組分別供電的方法；(3)電池組分布式冗余。針對(duì)電池組分散式供電所產(chǎn)生的能量不均衡問題，分布式冗余系統(tǒng)增加了能量調(diào)度功能，允許電能在電池組之間流動(dòng)，最大程度上延長(zhǎng)了機(jī)器人的工作周期。增加具有電能調(diào)度功能的BMS系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜度高。5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

難以建立機(jī)器人的精確的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算每一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行過程。機(jī)器人所執(zhí)行的控制指令必須通過先進(jìn)的控制算法的處理，使其能夠適應(yīng)無(wú)精確數(shù)學(xué)模型或無(wú)法通過有效測(cè)量手段獲取系統(tǒng)參數(shù)的控制系統(tǒng)。因此，無(wú)精確模型的控制算法設(shè)計(jì)也是智能機(jī)器人的重要內(nèi)容之一。

機(jī)器人的主要控制方法有：各類PID控制方法、自適應(yīng)控制方法、滑?？刂品椒?、模糊控制方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法等。上述各類控制方法都采用了閉環(huán)控制技術(shù)，即利用測(cè)量值與期望值比較，來(lái)糾正系統(tǒng)響應(yīng)。測(cè)量值來(lái)源于其內(nèi)部的各類傳感器，包括加速度傳感器、陀螺儀和電子羅盤等，其糾正系統(tǒng)響應(yīng)的機(jī)構(gòu)以輪等執(zhí)行機(jī)構(gòu)為主。5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

傳統(tǒng)PID控制方法

PID控制方法由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成，其控制基礎(chǔ)是比例控制，通過積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分控制加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢(shì)。

PID控制將當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)際值c(t)與期望值r(t)的偏差作為系統(tǒng)輸入，算法根據(jù)所輸入的偏差進(jìn)行比例P、積分I和微分I的線性組合運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到被控對(duì)象。5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法串級(jí)PID控制

串級(jí)PID控制是將兩個(gè)PID控制器串聯(lián)在一起，第一個(gè)PID控制器的輸出作為第二個(gè)控制器的輸入，串級(jí)PID分為內(nèi)環(huán)控制回路和外環(huán)控制回路：

以外環(huán)控制器為主導(dǎo)，以保證外環(huán)主變量穩(wěn)定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合，內(nèi)環(huán)控制器首先進(jìn)行粗調(diào)，外環(huán)控制器再進(jìn)一步細(xì)調(diào)。5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法模糊控制-模糊控制器

模糊控制（FuzzyControl）是一種模擬人類推理與決策的智能化控制策略。其本質(zhì)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)將系統(tǒng)中一些精確參數(shù)值按照一定規(guī)律模糊化為模糊量，如大、中、小等，由計(jì)算機(jī)對(duì)模糊量進(jìn)行模糊推理之后分析出合適的控制策略并完成模糊化控制量的輸出，最終經(jīng)過反模糊化后形成準(zhǔn)確的控制量并執(zhí)行。5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法模糊控制-模糊控制器

(1)模糊化。主要作用是將輸入模糊控制器的精確量轉(zhuǎn)化為模糊控制器所需要的模糊量，模糊語(yǔ)言變量值是一個(gè)模糊集合，所以模糊化方法應(yīng)給出從精確量到模糊集合的轉(zhuǎn)變方法，模糊化的結(jié)果是模糊論域上輸出。模糊化的關(guān)鍵在于模糊量化的劃分，劃分過少會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)認(rèn)知誤差或認(rèn)知錯(cuò)誤，而劃分過細(xì)會(huì)增加模糊控制的運(yùn)算量，偏離模糊控制的意義，一般的PID控制可以將模糊量劃分為7級(jí)。

(2)知識(shí)庫(kù)。包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分。數(shù)據(jù)庫(kù)用于向模糊推理過程提供模糊數(shù)據(jù)，規(guī)則庫(kù)是根據(jù)研究人員和工程人員的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的模糊語(yǔ)言規(guī)則。5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法模糊控制-模糊控制器

規(guī)則庫(kù)使得模糊控制器具有一定人類的邏輯，通常使用一系列“IF…THEN…”語(yǔ)句表示輸入和輸出的關(guān)系。例如：R1:IFEisA1AND(or)ECisB1THENUisC1R2:IFEisA2AND(or)ECisB2THENUisC2Rn:IFEisAnAND(or)ECisBnTHENUisCn

其中，E和EC是輸入變量，Ax和Bx是規(guī)則，U是輸出變量。

(3)模糊推理。模糊推理首先在已經(jīng)總結(jié)出的模糊語(yǔ)言規(guī)則中找出與當(dāng)前輸入相匹配的規(guī)則，然后根據(jù)尋找到的規(guī)則進(jìn)行推理，即完成尋找匹配和規(guī)則推理兩個(gè)過程。5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法

5.4運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)算法模糊PID控制

模糊PID控制是將傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)與模糊控制相結(jié)